CN103976766B - 一种主从微创血管介入手术辅助系统 - Google Patents

Abstract

一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于它是由主侧部分和从侧部分构成；其工作方法包括信号检测、传递、处理、动作；优越性在于：操作导管所传递信息实时、准确手术的安全性能够有效地提高；对异常操作和系统故障实时检测，有效地保障系统的安全；推进误差低；导管侧壁接触力传感器不仅能检测接触力大小还能区分受力方向。

Description

一种主从微创血管介入手术辅助系统

(一)技术领域：

本发明属于医疗设备技术领域，尤其是一种主从微创血管介入手术辅助系统，特别适用于血管造影、血栓或异物的摘除、治疗肿瘤或血管畸形、溶解血栓等方面。

(二)背景技术：

心脑血管疾病已成为人类三大死亡病因之一，严重威胁人类健康。血管疾病的情况主要有血管肿瘤、血栓堵塞、血管畸形、血管收缩、血管硬化等。导管介入手术是现行的治疗心脑血管疾病最有效的方法，与“开放性”手术相比，它具有创伤小、安全性、术后恢复快、并发症少等优点。但是传统的血管介入手术也存在一些问题，首先导管介入手术在医学影像设备的引导下进行，医生长期受到X光的辐射，对医生的身体造成伤害；其次是手术的高危险性，对操作医生的操作技巧要求高，必须是高水平的专科医生才能执行，因此存在的困难是医生的缺乏和医生培训的时间长、代价高；再次是手术时间长，医生会因为长时间操作而疲劳，医生的生理颤抖和疲劳时的误操作都会大大降低手术的安全性。

遥操作主从微创血管介入手术辅助系统能够有效解决上述问题，医生可以在一个安全不受X光辐射的环境中操作手术，医生的生理颤抖和误操作都可以通过系统过滤掉，减少了医生的培训时间。近年来，遥操作主从微创血管介入手术辅助系统已成为一个研究热点。传统手术中医生直接操作手术器械，器械与人体组织的接触信息可以直接传给医生，而微创手术中医生手术中的触觉信息由于手术器械的关系大多很难得到。因此，在微创手术中，医生由于缺少了触觉信息而使得手术增加了危险，可能因操作不当或过猛损坏了病人的器官。触觉反馈在很多研究中都有涉及，但反馈方式传统的直接通过手术器械的方式相差甚远，医生的操作方式和传统的方式也大大不同，通常是直接的发送动作指令。因此，传统介入手术所积累的经验技巧得不到很好的利用，不符合人体工学的要求。在众多研究中，手术现场的导管操作机器人装置设计都基于摩擦滚轮的方式，这种方式容易对导管造成损坏，损坏的导管也可能对血管造成伤害，同时摩擦推动本身存在推进误差。导管轴向操作力的采集反馈已成为一个重点，但导管旋转扭矩往往被忽视。同时，在导管前端受力的检测中，对导管侧壁接触力的检测没有几乎涉及或者只是检测有没有接触力和其大小，而不区分受力方向。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种主从微创血管介入手术辅助系统，它可以克服现有技术的不足，允许医生像传统手术一样去操作，根据医生的操作信息完成介入动作，并能将实时的力觉信息和视觉信息直观的反馈给医生，能够提高介入手术的安全性和可操作性，且结构简单易实现。

本发明的技术方案：一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于它是由主侧部分和从侧部分构成；其中，所述主侧部分包括主操作器、主控制器和主侧PC；所述从侧部分包括IP摄像头、从操作器、从控制器、从侧PC和手术导管；所述主操作器的输入端接收医生的操作信号和主控制器的反馈控制信号，其输出端与主控制器的输入端连接同时向操作者提供力反馈；所述主控制器的输入端接收主操作器的操作信息和主侧PC的反馈信息，其输出端与主操作器的输入端连接，输出传给主操作器的反馈控制信号，同时所述主控制器的输出端还与主侧PC连接，将主操作器的操作信息上传到主侧PC；所述主侧PC的输入端采集IP摄像头的图像信息，同时与主控制器和从侧PC呈双向连接，其输出端输出供手术医生参考的视觉反馈信号；所述IP摄像头采集现场实时图像，其输出端与主侧PC连接；所述从侧PC与主侧PC和从控制器分别呈双向连接；所述从控制器的输入端接收手术导管的动作信号；所述从控制器还与从操作器呈双向连接；所述从操作器的输出端与手术导管连接；同时从操作器对手术导管的操作动作作为现场实时图像被IP摄像头记录。

所述手术导管是带有力传感器的手术导管；所述传感器是导管侧壁接触力传感器和导管前端碰撞力传感器。

所述IP摄像头的输出端通过Internet与主侧PC连接；所述从侧PC与主侧PC直接通过网络连接。

所述主操作器包括轴向力反馈阻尼器单元、扭矩反馈输出单元、主夹具单元、操作信息采集单元、主侧导管、直线导轨和高度可调底座；其中，所述轴向力反馈阻尼器单元安装在高度可调底座上，其输出端输出为对主侧导管的阻尼信号；所述扭矩反馈输出单元安装在直线导轨上，其输出端输出对主夹具单元的力矩信号；所述主夹具单元的输出端与主侧导管配合连接；所述操作信息采集单元的输入端采集扭矩反馈输出单元输出端输出的旋转角度信息和轴向运动信息，其输出连接主控制器；所述主侧导管穿过主夹具单元；所述直线导轨安装在高度可调底座；所述高度可调底座是主操作器的安装底座；所述主夹具单元的输出端与主侧导管的连接为夹紧主侧导管或松开主侧导管。

所述轴向力反馈阻尼器单元由活塞杆、阻尼器、阻尼器支撑板I和阻尼器支撑板II构成；其中，所述阻尼器安装在阻尼器支撑板I和阻尼器支撑板II上，其输出端输出为对活塞杆的阻尼信号；所述活塞杆的输入端接收阻尼器的阻尼信号，其输出端输出对主侧导管的阻尼信号；所述阻尼器支撑板I和阻尼器支撑板II均安装在高度可调底座上。

所述阻尼器由阻尼器壁、活塞、线圈和聚氨酯海绵构成；其中，所述活塞与活塞杆连接；所述线圈缠在活塞上；所述聚氨酯海绵覆盖在缠有线圈的活塞上。

所述的聚氨酯海绵中吸附磁流变液至饱和。

所述扭矩反馈输出单元由力矩输出电机、力矩输出电机安装板、主侧同步带轮I、主侧同步带轮II和主侧同步带构成；其中，所述力矩输出电机安装在力矩输出电机安装板上，其输出端输出扭矩信号，通过主侧同步带轮I、主侧同步带轮II和主侧同步带与主夹具单元连接；所述力矩输出电机安装板安装在直线导轨上；所述主侧同步带轮I安装在力矩输出电机的输出轴上；所述主侧同步带轮II与主夹具单元连接。

所述主夹具单元由主侧电动夹具I、主侧电动夹具II、主侧夹具连接轴、电刷盘、轴支撑板和主侧后端夹具安装板构成；其中，所述主侧电动夹具I连接在主侧夹具连接轴上，所述主侧电动夹具I的输入端接收通过主侧夹具连接轴以及扭矩反馈输出单元的主侧同步带轮I、主侧同步带轮II、主侧同步带传递的扭矩反馈输出单元输出的扭矩信号，其输出端夹紧或松开主侧导管；所述主侧电动夹具II安装在主侧后端夹具安装板上，其输出端夹紧或松开主侧导管；所述轴支撑板上有穿孔，所述主侧夹具连接轴通过穿孔与轴支撑板呈轴承连接；所述主侧夹具连接轴上安装有主侧同步带轮II；所述主侧夹具连接轴的前端与轴向力反馈阻尼器单元中的活塞杆呈螺纹连接，其后端与主侧电动夹具I连接；所述轴支撑板安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板上，支撑主侧夹具连接轴；所述主侧后端夹具安装板安装在高度可调底座上；所述电刷盘安装在主侧夹具连接轴上，防止主侧电动夹具I的引线缠线。

所述主侧电动夹具I由夹具板I、弹簧、夹具板II、螺丝、夹具片、夹具电机安装板、夹具电机、凸轮和销钉构成；其中，所述夹具电机安装在夹具电机安装板上；所述凸轮连接夹具电机的输出端，并与夹具片连接；所述夹具板I连接在主侧夹具连接轴上；所述夹具板II与夹具板I之间、夹具板II与夹具电机安装板之间均通过螺丝连接；所述夹具片通过销钉固定在夹具板I与夹具电机安装板之间；所述夹具板II上有螺纹孔，所述弹簧穿过夹具板II上螺纹孔，一端压在夹具片上，一端与拧进夹具板II上螺纹孔的螺丝相接。

所述主侧电动夹具II与主侧电动夹具I有相同的结构。

所述直线导轨由直线导轨轨道和直线导轨滑块构成；其中，所述直线导轨滑块上安装有扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板；所述直线导轨滑块安装在直线导轨轨道上，且所述直线导轨滑块与直线导轨轨道之间是滚珠连接。

所述高度可调底座由升降台I、升降台II和升降台安装板构成；其中，所述升降台安装板安装在升降台I和升降台II上；所述升降台安装板上安装有轴向力反馈阻尼器单元的阻尼器支撑板I和阻尼器支撑板II、主夹具单元的主侧后端夹具安装板以及直线导轨的直线导轨轨道。

所述升降台I由升降台底板、螺纹杆、轴I、轴II、升降台顶板和升降台支撑杆构成；其中，所述升降台支撑杆下端安装在升降台底板上，上端支撑升降台顶板；所述轴I作为升降台支撑杆的旋转轴；所述轴II为升降台支撑杆的旋转轴；所述螺纹杆穿过轴I和轴II，且与轴I和轴II的连接螺纹方向相反。

所述升降台II与升降台I具有相同结构。

所述操作信息采集单元由直线位移传感器、直线位移传感器滑块和光电编码器构成；其中，所述直线位移传感器安装在升降台安装板上，其输入端接收直线位移传感器滑块的位置信号；所述直线位移传感器滑块安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板上；所述光电编码器安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机上，其输入端接收力矩输出电机的旋转角度信号。

所述的主侧导管为微创介入手术医用导管。

所述阻尼器、直线导轨的行程和直线位移传感器的量程对应相等，可选择为0-400mm。

所述从操作器包括轴向推送单元、旋转单元、从夹取单元、操作力检测单元和倾角可调底座；其中，所述轴向推送单元安装在倾角可调底座上，其输出带动旋转单元、从夹取单元和操作力检测单元在轴向运动；所述旋转单元安装在轴向推送单元的滑动端转接板上，其输出端连接从夹取单元，使从夹取单元进行旋转；所述手术导管穿过从夹取单元；所述从夹取单元的输出为夹紧或松开手术导管；所述操作力检测单元的输入端检测从夹取单元对手术导管的推送力信号以及旋转单元的扭矩信号；所述倾角可调底座是从操作器装置的安装底座。

所述轴向推送单元由线性滑台、滑台驱动电机和滑动端转接板构成；所述旋转单元由旋转驱动电机、旋转驱动电机安装板、联轴器I、联轴器II、同步带轮轴、从侧同步带轮I、从侧同步带轮II和从侧同步带构成；其中，所述滑台驱动电机的输出端连接线性滑台，为线性滑台的滑动端的移动提供驱动力；所述线性滑台安装在倾角可调底座上；所述滑动端转接板安装在线性滑台的滑动端；所述旋转驱动电机安装在旋转驱动电机安装板上，其输出端通过联轴器I、扭矩传感器、联轴器II、同步带轮轴、从侧同步带轮I、从侧同步带、从侧同步带轮II及从侧夹具连接轴II连接从侧电动夹具I；所述旋转驱动电机安装板安装在滑动端转接板上。

所述线性滑台的行程可以根据单程推进尺寸选择为0-400mm。

所述从夹取单元由从侧电动夹具I、从侧电动夹具II、从侧夹具连接轴I、从侧夹具连接轴II、前端安装立板和从侧后端夹具安装板构成；其中，所述轴向推送单元安装在倾角可调底座上，其输出带动旋转单元、从夹取单元的从侧电动夹具I和操作力检测单元在轴向运动；所述从侧电动夹具I两端分别连接从侧夹具连接轴I和从侧夹具连接轴II，其输出夹紧或松开手术导管；所述从侧夹具连接轴I一端与从侧电动夹具I连接起到支撑作用，一端与操作力检测单元以轴承方式连接；所述从侧夹具连接轴II一端与从侧电动夹具I连接起到支撑作用，一端与前端安装立板以轴承方式连接；所述从侧电动夹具II安装在从侧后端夹具安装板上，其输出夹紧或松开手术导管；所述前端安装立板安装在轴向推送单元的滑动端转接板上；所述从侧后端夹具安装板安装在倾角可调底座上。

所述操作力检测单元由扭矩传感器、拉压力传感器、拉压力传感器安装板、拉压环形套和圆盘构成；其中，所述从夹取单元的从侧夹具连接轴I的一端与拉压力传感器安装板以轴承方式连接；所述扭矩传感器通过轴向推送单元的联轴器I与旋转单元的旋转驱动电机的输出端连接，检测其输出扭矩；所述拉压力传感器安装在拉压力传感器安装板上，所述拉压力传感器的输入端采集通过拉压环形套和圆盘传递来的轴向操作力信号；所述拉压力传感器安装板安装在轴向推送单元的滑动端转接板上；所述拉压环形套安装在拉压力传感器的检测轴上；所述圆盘安装在从夹取单元的从侧夹具连接轴I上，其边缘嵌入到拉压环形套中；所述从侧电动夹具I的输入端通过联轴器I、扭矩传感器、联轴器II、从侧同步带轮I、从侧同步带、从侧同步带轮II及从侧夹具连接轴II与旋转驱动电机的输出端连接。

所述扭矩传感器的量程为0-0.2NM，精度为±0.3％F.S。

所述拉压力传感器的量程为0-5N，精度为0.025％R.O。

所述拉压力传感器安装板为U型拉压力传感器安装板。

所述倾角可调底座由底座前端立板、底座架、支撑板、立板连接轴、套管、套管连接轴、调整杆、连接轴和紧固螺丝构成；所述底座前端立板安装在底座架上；所述套管与底座架连接，且可围绕套管连接轴旋转；所述调整杆依可调整嵌入长度的紧固螺丝嵌入在套管中；所述倾角可调底座的支撑板分别通过立板连接轴与底座前端立板连接，通过连接轴与调整杆连接，立板连接轴和连接轴是可以旋转的连接轴；所述轴向推送单元的线性滑台安装在支撑板上；所述从夹取单元的从侧后端夹具安装板安装在支撑板上。

所述倾角可调底座为手动调节架；所述支撑板与底座前端立板的立板连接轴可以旋转；所述连接套管和底座架的套管连接轴可以旋转；所述支撑板和调整杆的连接轴可以旋转；

所述从侧电动夹具I和从侧电动夹具II与主侧电动夹具I有相同的结构。

所述导管侧壁接触力传感器由铜电极、压敏橡胶、铜导线、被选通的传感器元件、直流电压源和恒值电阻构成；所述压敏橡胶是排列成3×3的压敏橡胶传感器矩阵结构；所述的铜电极具有粘性，黏在压敏橡胶构成的传感器矩阵两侧，一侧作为行电极，另一侧作为列电极；所述的铜导线通过铜电极连接在传感器矩阵两侧，一侧作为行电极引线，一侧作为列电极引线；所述的被选通的传感器元件是压敏橡胶排列成3×3的传感器矩阵经铜导线引出通过行选通和列选通后串联到有直流电压源和恒值电阻电路中的传感器矩阵元件。

所述导管前端碰撞力传感器是一种基于光纤的碰撞检测传感器，其输出经过解调后传递给从控制器。

一种主从微创血管介入手术辅助系统的工作方法，其特征在于其包括以下步骤：

①调节操作器的合适高度：

I、在进行手术操作时，根据不同医生对操作器的高度要求，首先手动调节升降台I和升降台II获取；所述的升降台I，螺纹杆上有正反螺纹，手动转动螺纹杆时可以使轴I和轴II靠拢或者分离，从而调节升降台底板和升降台顶板间的距离，起到升降的效果；

II、同样，针对不同的接受治疗者或者手术介入位置，通过调节倾角可调底座获得0-45°的任意介入角度；调整杆深入套管的长度决定了介入角度的大小，当调整杆深入套管的长度达到医生期望的介入角度时，通过紧固螺丝将其固定住；

②主操作器检测医生的操作信息：

在微创血管介入手术过程中，医生根据主侧PC上的视觉反馈和手上的力反馈情况，直接操作安装在主操作器上的一根真实导管，医生的操作信息需要检测和提取出来；

主操作器上的主侧电动夹具I和主侧电动夹具II交替工作，当主侧电动夹具I夹住主侧导管时，主侧导管和活塞杆以及安装在直线导轨上的扭矩反馈输出单元、光电编码器，直线位移传感器滑块固定成一个整体，操作主侧导管能使这个整体运动；其中，夹具片的张开角度由夹具电机的旋转角度来决定，不同的夹具电机的旋转角度通过凸轮去控制夹具片的张开角度；

当主侧电动夹具I松开后，主侧电动夹具II夹紧主侧导管时，因为主侧电动夹具II安装在与高度可调底座固定的主侧后端夹具安装板上，因此主侧导管与高度可调底座保持不动，拉动活塞杆带动主侧电动夹具I、以及安装在直线导轨上的扭矩反馈输出单元、光电编码器，直线位移传感器滑块整体移动以调整活塞到阻尼器的后侧而不影响主侧导管的位置，然后主侧电动夹具I夹紧，主侧电动夹具II松开，开始新一程的操作；

所述主侧电动夹具I夹住主侧导管时，医生操作主侧导管的运动有两个自由度，包括轴向和旋转：

I、对于轴向运动信息的采集，安装在力矩输出电机安装板上的直线位移传感器滑块随着主侧导管同步移动，直线位移传感器实时感应直线位移传感器滑块位置的变化即可得出主侧导管的轴向位移及速率；

II、对于旋转信息，主侧导管的转动通过主侧同步带和力矩输出电机的输出轴保持同步，因此安装在力矩输出电机上的光电编码器可以检测主侧导管的旋转信息；

③操作信息的传递：

主操作器检测到的操作信息上传到主控制器，主控制器进行处理后上传主侧PC，主侧PC与从侧PC的通信将这个信息传递到从侧PC，从侧PC再将其下传到从控制器；

④从操作器执行介入操作：

所述从控制器接收到主端传递过来的操作信号后，对从操作器输出操作控制信号；从操作器的从侧电动夹具I和从侧电动夹具II交替夹住手术导管，与主侧的主侧电动夹具I和主侧电动夹具II相对应；当从侧电动夹具I夹住手术导管时，手术导管处于介入工作状态；当从侧电动夹具II夹住手术导管时，手术导管保持原有状态不动，滑台驱动电机驱动线性滑台使线性滑台滑动端移动到线性滑台的后端；

从侧电动夹具I的夹紧模仿医生的抓管动作，线性滑台的推进和旋转驱动电机的旋转模仿医生手的送管、旋管动作；当手术导管被从侧电动夹具I夹住时，从操作器对手术导管的操作有两个自由度，包括旋转和轴向运动，由以下几个步骤构成：

I、旋转驱动电机的旋转通过联轴器I、扭矩传感器、联轴器II、同步带轮轴、从侧同步带、从侧夹具连接轴II，最终传递到从侧电动夹具I，从而带动从侧电动夹具I所夹紧的手术导管一起旋转，实现手术导管的旋转运动；

II、滑台驱动电机的旋转使线性滑台滑动端滑动，从而实现推动从侧电动夹具I所夹紧的手术导管轴向运动；

⑤从操作器的操作力检测：

所述从操作器对手术导管的操作力检测包括轴向操作力的检测和旋转扭矩的检测)：

I、所述轴向操作力的检测由拉压力传感器完成，所述拉压环形套在没有拉压力时被圆盘接触但没有挤压，圆盘随轴的旋转不影响拉压环形套；当从侧电动夹具I夹住手术导管做轴向运动时，手术导管对从侧电动夹具I的反作用力可以使从侧电动夹具I在轴向产生微移动，这个微移动通过圆盘和拉压环形套的组合传递到拉压力传感器，拉压力传感器即可检测到对手术导管的轴向操作力；

II、所述旋转扭矩的检测由扭矩传感器完成，所述扭矩传感器安装在旋转驱动电机的输出端和同步带轮轴之间；当扭矩传感器检测到旋转驱动电机的输出扭矩后，实时的输出扭矩减去空载时的输出扭矩，即可得到对手术导管操作时的实时扭矩；

⑥导管前端的受力检测：

所述从操作器介入操作过程中，手术导管前端的受力有前端碰撞力和侧壁接触力：

I、对于侧壁接触力的检测，采用基于压敏橡胶的导管前端碰撞力传感器；该压敏橡胶在自然状态下是绝缘体，但在有微小压力的情况下，电阻骤减，当压力到达1.5N时，随着压力的增加，其电阻不再改变；权威血管介入外科医生的经验得到血管能够承受的压力为0.49N，因此所设计的导管前端碰撞力传感器。能够满足检测需求；

压敏橡胶排列成3×3的传感器矩阵经铜导线分别将行电极和列电极引到两片模拟通道选通芯片的输入端，模拟通道选通芯片输出端引出串联到有直流电压源、恒值电阻的电路中；从控制器依次给模拟通道选通芯片送行列选通信号，同一时刻只有处在选通行列交叉处的被选通的传感器元件串联到电路中；此时，被选通的传感器元件相当于一个压敏电阻，通过检测恒值电阻的分压值，即可得到当前选通的压敏橡胶元件所受的压力；从控制器采用类似循环扫描的方式给模拟通道选通芯片选通信号，恒值电阻的分压值实时采集送到从控制器，从控制器通过电压值判断当前选通元件是否受力；这个受力大小和位置信息都传递到从控制器中；

II、对于前端碰撞力的检测，采用一种基于光纤的碰撞检测传感器，其输出经过解调后传递给从控制器；

⑦反馈信息的传递：

所述从操作器对手术导管的轴向操作力信息和旋转扭矩信息以及手术导管前端受到的前端碰撞力信息和侧壁接触力信息均上传到从控制器；从控制器将这些信息上传到从侧PC，又经从侧PC通过通信网络传递给主侧PC；其中从操作器对手术导管的轴向操作力信息和旋转扭矩信息经主侧PC下传给主控制器；所述IP摄像头采集的实时图像通过IP网络直接传给主侧PC；

⑧主操作器的力反馈：

主控制器根据从侧传递回来的对手术导管的轴向操作力信息和旋转扭矩信息控制主操作器实现力反馈，其中：

I、对于轴向操作力反馈，通过阻尼器结构应用智能材料磁流变液来实现：阻尼器壁和活塞间有间隙，活塞上缠有线圈；聚氨酯海绵浸泡磁流变液饱和后覆盖在缠有线圈的活塞上；当向线圈中通上电流时将产生以活塞、磁流变液、阻尼器壁、磁流变液、活塞的封闭磁回路，此时推动活塞运动，磁流变液则会产生剪切力，对活塞形成阻力；不同的磁场大小产生不同阻力，而磁场的大小可以通过控制线圈中的电流大小来获得，通过主侧电动夹具I将活塞杆和主侧导管固定在一起，这个阻力通过主侧导管传递到医生的手上形成轴向力反馈；

II、扭矩的反馈，通过力矩输出电机来实现，扭矩反馈输出单元安装在直线导轨上，力矩输出电机的输出通过主侧同步带轮I、主侧同步带、主侧同步带轮II、主侧夹具连接轴传递到活塞杆，活塞杆和主侧导管一起运动，因此输出力矩可以通过和活塞杆一起运动的主侧导管传递到医生手上，力矩输出电机的输出扭矩的大小由供电电流大小决定，而电流由从端反馈回来的扭矩信息和连接所固有的扭矩来决定；

⑨主侧PC上的视觉反馈

医生在感触来自手上的力反馈的同时，还需要知道现场情况以及手术导管前端的受力才能保证介入手术的安全操作；医生通过主侧PC获得视觉反馈：

I、IP摄像头传回来的实时图像，在做修正后以图像窗口的形式展示给医生；

II、导管侧壁接触力传感器所检测到的导管前端侧壁受力情况，用虚拟指示灯矩阵来指示受力位置，用虚拟指示灯的颜色来受力大小等级；

Ⅲ、导管前端碰撞力传感器所检测到的前端碰撞力，以进度条的形式展现给医生碰撞力的大小，进度条下配上实时的数值显示。

本发明的优越性在于：1、医生像传统手术中一样直接操作一根真实导管，设计符合人体工学的要求，能够充分利用传统手术中所获取的操作经验技巧；2、通过医生操作导管所传递的实时、准确的力反馈让医生有亲临现场操作的感觉，医生根据力觉反馈和视觉反馈执行手术决策，手术的安全性能够有效地提高；3、控制器对异常操作和系统故障实时检测，过滤掉不正常的操作，发现系统故障时立刻锁死介入操作机构，从而有效地保障系统的安全；4、从操作器设计模仿医生的抓送方式，设计符合仿生学的要求，同时能够有效降低推进误差；5、即使在传统的血管介入手术中，医生通过手对导管前端接触力的感知也是微乎其微的，医生完全凭经验操作，在本设计中，在导管前端加上了导管侧壁接触力传感器和前端碰撞力传感器，特别是导管侧壁接触力传感器不仅能检测传感器大小还能区分受力方向。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉及的一种微创血管介入手术辅助系统的系统整体示意图。

图2为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的主操作器装置结构框图。

图3为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的主操作器装置整体结构示意图。

图4为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的主操作器装置的轴向力反馈阻尼器结构示意图。

图5为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的主操作器装置扭矩反馈输出单元与直线导轨11的安装示意图。

图6为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的主操作器装置主侧电动夹具I17结构示意图(其中图6-a为分解图，图6-b为组合图)。

图7为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的主操作器装置升降台I1结构示意图。

图8为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的从操作器装置结构框图。

图9为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的从操作器装置整体结构示意图。

图10为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的从操作器装置导管旋转实现和轴向导管操作力及导管旋转扭矩检测的结构示意图。

图11为本发明所涉一种主从微创血管介入手术辅助系统的从操作器装置倾角可调底座结构示意图。

图12为本发明所涉及的一种微创血管介入手术辅助系统的导管侧壁接触力传感器的检测阵列结构示意图。

图13为本发明所涉及的一种微创血管介入手术辅助系统的导管侧壁接触力传感器的检测原理示意图。

其中，1为升降台I，1-1为升降台底板，1-2为螺纹杆，1-3为轴I，1-4为轴II，1-5为升降台顶板，1-6为升降台支撑杆，2为升降台安装板，3为直线位移传感器，4为直线位移传感器滑块，5为升降台II，6为力矩输出电机安装板，7为活塞杆，8为阻尼器支撑板I，9为阻尼器，9-1为阻尼器壁，9-2为活塞，9-3为线圈，9-4为聚氨酯海绵，10为阻尼器支撑板II，11为直线导轨，11-1为直线导轨轨道，11-2为直线导轨滑块，12为光电编码器，13为力矩输出电机，14为主侧夹具连接轴，15为主侧同步带轮I，16为主侧同步带轮II，17为主侧电动夹具I，17-1为夹具板I，17-2为弹簧，17-3为夹具板II，17-4为螺丝，17-5为夹具片，17-6为夹具电机安装板，17-7为夹具电机，17-8为凸轮，17-9为销钉，18为主侧导管，19为主侧后端夹具安装板，20为主侧电动夹具II，21为电刷盘，22为主侧同步带，23为轴支撑板。24为底座前端立板，25为底座架，26为套管，27为立板连接轴，28为调整杆，29为从侧同步带轮I，30为同步带轮轴，31为圆盘，32为拉压力传感器安装板，33为联轴器I，34为旋转驱动电机安装板，35为紧固螺丝，36为连接轴，37为滑台驱动电机，38为从侧后端夹具安装板，39为滑动端转接板，40为联轴器II，41为前端安装立板，42为从侧同步带，43为从侧电动夹具I，44为从侧夹具连接轴I，45为拉压环形套，46为拉压力传感器，47为扭矩传感器，48为旋转驱动电机，49为手术导管，50为从侧电动夹具II，51为线性滑台，52为支撑板，53为套管连接轴，54为从侧夹具连接轴II，55为从侧同步带轮II，56为铜电极，57为压敏橡胶，58为铜导线，59为被选通的传感器元件，60为直流电压源，61为恒值电阻。

(五)具体实施方式：

实施例：一种主从微创血管介入手术辅助系统(见图1)，其特征在于它是由主侧部分和从侧部分构成；其中，所述主侧部分包括主操作器、主控制器和主侧PC；所述从侧部分包括IP摄像头、从操作器、从控制器、从侧PC和手术导管49；所述主操作器的输入端接收医生的操作信号和主控制器的反馈控制信号，其输出端与主控制器的输入端连接同时向操作者提供力反馈；所述主控制器的输入端接收主操作器的操作信息和主侧PC的反馈信息，其输出端与主操作器的输入端连接，输出传给主操作器的反馈控制信号，同时所述主控制器的输出端还与主侧PC连接，将主操作器的操作信息上传到主侧PC；所述主侧PC的输入端采集IP摄像头的图像信息，同时与主控制器和从侧PC呈双向连接，其输出端输出供手术医生参考的视觉反馈信号；所述IP摄像头采集现场实时图像，其输出端与主侧PC连接；所述从侧PC与主侧PC和从控制器分别呈双向连接；所述从控制器的输入端接收手术导管49的动作信号；所述从控制器还与从操作器呈双向连接；所述从操作器的输出端与手术导管49连接；同时从操作器对手术导管49的操作动作作为现场实时图像被IP摄像头记录。

所述手术导管49是带有力传感器的手术导管49；所述传感器是导管侧壁接触力传感器和导管前端碰撞力传感器(见图1)。

所述IP摄像头的输出端通过Internet与主侧PC连接；所述从侧PC与主侧PC直接通过网络连接(见图1)。

所述主操作器(见图2、图3)包括轴向力反馈阻尼器单元、扭矩反馈输出单元、主夹具单元、操作信息采集单元、主侧导管18、直线导轨11和高度可调底座；其中，所述轴向力反馈阻尼器单元安装在高度可调底座上，其输出端输出为对主侧导管18的阻尼信号；所述扭矩反馈输出单元安装在直线导轨11上，其输出端输出对主夹具单元的力矩信号；所述主夹具单元的输出端与主侧导管18配合连接；所述操作信息采集单元的输入端采集扭矩反馈输出单元输出端输出的旋转角度信息和轴向运动信息，其输出连接主控制器；所述主侧导管18穿过主夹具单元；所述直线导轨11安装在高度可调底座；所述高度可调底座是主操作器的安装底座；所述主夹具单元的输出端与主侧导管18的连接为夹紧主侧导管18或松开主侧导管18。

所述轴向力反馈阻尼器单元(见图3)由活塞杆7、阻尼器9、阻尼器支撑板I8和阻尼器支撑板II10构成；其中，所述阻尼器9安装在阻尼器支撑板I8和阻尼器支撑板II10上，其输出端输出为对活塞杆7的阻尼信号；所述活塞杆7的输入端接收阻尼器9的阻尼信号，其输出端输出对主侧导管18的阻尼信号；所述阻尼器支撑板I8和阻尼器支撑板II10均安装在高度可调底座上。

所述阻尼器9(见图4)由阻尼器壁9-1、活塞9-2、线圈9-3和聚氨酯海绵9-4构成；其中，所述活塞9-2与活塞杆7连接；所述线圈9-3缠在活塞9-2上；所述聚氨酯海绵9-4覆盖在缠有线圈9-3的活塞9-2上。

所述的聚氨酯海绵9-4中吸附磁流变液至饱和。

所述扭矩反馈输出单元(见图2、图3)由力矩输出电机13、力矩输出电机安装板6、主侧同步带轮I15、主侧同步带轮II16和主侧同步带22构成；其中，所述力矩输出电机13安装在力矩输出电机安装板6上，其输出端输出扭矩信号，通过主侧同步带轮I15、主侧同步带轮II16和主侧同步带22与主夹具单元连接；所述力矩输出电机安装板6安装在直线导轨11上；所述主侧同步带轮I15安装在力矩输出电机13的输出轴上；所述主侧同步带轮II16与主夹具单元连接。

所述主夹具单元(见图2、图3)由主侧电动夹具I17、主侧电动夹具II20、主侧夹具连接轴14、电刷盘21、轴支撑板23和主侧后端夹具安装板19构成；其中，所述主侧电动夹具I17连接在主侧夹具连接轴14上，所述主侧电动夹具I17的输入端接收通过主侧夹具连接轴14以及扭矩反馈输出单元的主侧同步带轮I15、主侧同步带轮II16、主侧同步带22传递的扭矩反馈输出单元输出的扭矩信号，其输出端夹紧或松开主侧导管18；所述主侧电动夹具II20安装在主侧后端夹具安装板19上，其输出端夹紧或松开主侧导管18；所述轴支撑板23上有穿孔，所述主侧夹具连接轴14通过穿孔与轴支撑板23呈轴承连接；所述主侧夹具连接轴14上安装有主侧同步带轮II16；所述主侧夹具连接轴14的前端与轴向力反馈阻尼器单元中的活塞杆7呈螺纹连接，其后端与主侧电动夹具I17连接；所述轴支撑板23安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板6上，支撑主侧夹具连接轴14；所述主侧后端夹具安装板19安装在高度可调底座上；所述电刷盘21安装在主侧夹具连接轴14上，防止主侧电动夹具I17的引线缠线。

所述主侧电动夹具I17(见图6-a，图6-b)由夹具板I17-1、弹簧17-2、夹具板II17-3、螺丝17-4、夹具片17-5、夹具电机安装板17-6、夹具电机17-7、凸轮17-8和销钉17-9构成；其中，所述夹具电机17-7安装在夹具电机安装板17-6上；所述凸轮17-8连接夹具电机17-7的输出端，并与夹具片17-5连接；所述夹具板I17-1连接在主侧夹具连接轴14上；所述夹具板II17-3与夹具板I17-1之间、夹具板II17-3与夹具电机安装板17-6之间均通过螺丝连接；所述夹具片17-5通过销钉17-9固定在夹具板I17-1与夹具电机安装板17-6之间；所述夹具板II17-3上有螺纹孔，所述弹簧17-2穿过夹具板II17-3上螺纹孔，一端压在夹具片17-5上，一端与拧进夹具板II17-3上螺纹孔的螺丝17-4相接。

所述主侧电动夹具II20与主侧电动夹具I17有相同的结构。

所述直线导轨11(见图5)由直线导轨轨道11-1和直线导轨滑块11-2构成；其中，所述直线导轨滑块11-2上安装有扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板6；所述直线导轨滑块11-2安装在直线导轨轨道11-1上，且所述直线导轨滑块11-2与直线导轨轨道11-1之间是滚珠连接。

所述高度可调底座(见图2、图3)由升降台I1、升降台II5和升降台安装板2构成；其中，所述升降台安装板2安装在升降台I1和升降台II5上；所述升降台安装板2上安装有轴向力反馈阻尼器单元的阻尼器支撑板I8和阻尼器支撑板II10、主夹具单元的主侧后端夹具安装板19以及直线导轨11的直线导轨轨道11-1。

所述升降台I1(见图7)由升降台底板1-1、螺纹杆1-2、轴I1-3、轴II1-4、升降台顶板1-5和升降台支撑杆1-6构成；其中，所述升降台支撑杆1-6下端安装在升降台底板1-1上，上端支撑升降台顶板1-5；所述轴I1-3作为升降台支撑杆1-6的旋转轴；所述轴II1-4为升降台支撑杆1-6的旋转轴；所述螺纹杆1-2穿过轴I1-3和轴II1-4，且与轴I1-3和轴II1-4的连接螺纹方向相反。

所述升降台II5与升降台I1具有相同结构。

所述操作信息采集单元(见图2、图3)由直线位移传感器3、直线位移传感器滑块4和光电编码器12构成；其中，所述直线位移传感器3安装在升降台安装板2上，其输入端接收直线位移传感器滑块4的位置信号；所述直线位移传感器滑块4安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板6上；所述光电编码器12安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机13上，其输入端接收力矩输出电机13的旋转角度信号。

所述的主侧导管18为微创介入手术医用导管。

所述阻尼器9、直线导轨11的行程和直线位移传感器3的量程对应相等，可选择为0-400mm，本实施例为200mm。

所述从操作器(见图8、图9)包括轴向推送单元、旋转单元、从夹取单元、操作力检测单元和倾角可调底座；其中，所述轴向推送单元安装在倾角可调底座上，其输出带动旋转单元、从夹取单元和操作力检测单元在轴向运动；所述旋转单元安装在轴向推送单元的滑动端转接板39上，其输出端连接从夹取单元，使从夹取单元进行旋转；所述手术导管49穿过从夹取单元；所述从夹取单元的输出为夹紧或松开手术导管49；所述操作力检测单元的输入端检测从夹取单元对手术导管49的推送力信号以及旋转单元的扭矩信号；所述倾角可调底座是从操作器装置的安装底座。

所述轴向推送单元(见图9)由线性滑台51、滑台驱动电机37和滑动端转接板39构成；所述旋转单元(见图9，图10)由旋转驱动电机48、旋转驱动电机安装板34、联轴器I33、联轴器II40、同步带轮轴30、从侧同步带轮I29、从侧同步带轮II55和从侧同步带42构成；其中，所述滑台驱动电机37的输出端连接线性滑台51，为线性滑台51的滑动端的移动提供驱动力；所述线性滑台51安装在倾角可调底座上；所述滑动端转接板39安装在线性滑台51的滑动端；所述旋转驱动电机48安装在旋转驱动电机安装板34上，其输出端通过联轴器I33、扭矩传感器47、联轴器II40、同步带轮轴30、从侧同步带轮I29、从侧同步带42、从侧同步带轮II55及从侧夹具连接轴II54连接从侧电动夹具I43；所述旋转驱动电机安装板34安装在滑动端转接板39上。

所述线性滑台51的行程可以根据单程推进尺寸选择为0-400mm，本实施例的有效行程为200mm。

所述从夹取单元(见图8，图9，图10)由从侧电动夹具I43、从侧电动夹具II50、从侧夹具连接轴I44、从侧夹具连接轴II54、前端安装立板41和从侧后端夹具安装板38构成；其中，所述轴向推送单元安装在倾角可调底座上，其输出带动旋转单元、从夹取单元的从侧电动夹具I43和操作力检测单元在轴向运动；所述从侧电动夹具I43两端分别连接从侧夹具连接轴I44和从侧夹具连接轴II54，其输出夹紧或松开手术导管49；所述从侧夹具连接轴I44一端与从侧电动夹具I43连接起到支撑作用，一端与操作力检测单元以轴承方式连接；所述从侧夹具连接轴II54一端与从侧电动夹具I43连接起到支撑作用，一端与前端安装立板41以轴承方式连接；所述从侧电动夹具II50安装在从侧后端夹具安装板38上，其输出夹紧或松开手术导管49；所述前端安装立板41安装在轴向推送单元的滑动端转接板39上；所述从侧后端夹具安装板38安装在倾角可调底座上。

所述操作力检测单元(见图8、图9)由扭矩传感器47、拉压力传感器46、拉压力传感器安装板32、拉压环形套45和圆盘31构成；其中，所述从夹取单元的从侧夹具连接轴I44的一端与拉压力传感器安装板32以轴承方式连接；所述扭矩传感器47通过轴向推送单元的联轴器I33与旋转单元的旋转驱动电机48的输出端连接，检测其输出扭矩；所述拉压力传感器46安装在拉压力传感器安装板32上，所述拉压力传感器46的输入端采集通过拉压环形套45和圆盘31传递来的轴向操作力信号；所述拉压力传感器安装板32安装在轴向推送单元的滑动端转接板39上；所述拉压环形套45安装在拉压力传感器46的检测轴上；所述圆盘31安装在从夹取单元的从侧夹具连接轴I44上，其边缘嵌入到拉压环形套45中；所述从侧电动夹具I43的输入端通过联轴器I33、扭矩传感器47、联轴器II40、从侧同步带轮I29、从侧同步带42、从侧同步带轮II55及从侧夹具连接轴II54与旋转驱动电机48的输出端连接。

所述扭矩传感器47的量程为0-0.2NM，精度为±0.3％F.S。本实施例取量程为0.15NM，精度为±0.3％F.S。

所述拉压力传感器46的量程为0-5N，精度为0.025％R.O。本实施例取量程为2.5N，精度为0.025％R.O。

所述拉压力传感器安装板32为U型拉压力传感器安装板。

所述倾角可调底座(见图11)由底座前端立板24、底座架25、支撑板52、立板连接轴27、套管26、套管连接轴53、调整杆28、连接轴36和紧固螺丝35构成；所述底座前端立板24安装在底座架25上；所述套管26与底座架25连接，且可围绕套管连接轴53旋转；所述调整杆28依可调整嵌入长度的紧固螺丝35嵌入在套管26中；所述倾角可调底座的支撑板52分别通过立板连接轴27与底座前端立板24连接，通过连接轴36与调整杆28连接，立板连接轴27和连接轴36是可以旋转的连接轴；所述轴向推送单元的线性滑台51安装在支撑板52上；所述从夹取单元的从侧后端夹具安装板38安装在支撑板52上。

所述倾角可调底座为手动调节架(见图11)；所述支撑板52与底座前端立板24的立板连接轴27可以旋转；所述连接套管26和底座架25的套管连接轴53可以旋转；所述支撑板52和调整杆28的连接轴36可以旋转；

所述从侧电动夹具I43和从侧电动夹具II50与主侧电动夹具I17有相同的结构。

所述导管侧壁接触力传感器(图12、图13)由铜电极56、压敏橡胶57、铜导线58、被选通的传感器元件59、直流电压源60和恒值电阻61构成；所述压敏橡胶57是排列成3×3的压敏橡胶传感器矩阵结构；所述的铜电极具有粘性，黏在压敏橡胶57构成的传感器矩阵两侧，一侧作为行电极，另一侧作为列电极；所述的铜导线58通过铜电极56连接在传感器矩阵两侧，一侧作为行电极引线，一侧作为列电极引线；所述的被选通的传感器元件59是压敏橡胶57排列成3×3的传感器矩阵经铜导线58引出通过行选通和列选通后串联到有直流电压源60和恒值电阻61电路中的传感器矩阵元件。

所述导管前端碰撞力传感器是一种基于光纤的碰撞检测传感器，其输出经过解调后传递给从控制器。

一种主从微创血管介入手术辅助系统的工作方法，其特征在于其包括以下步骤：

①调节操作器的合适高度：

I、在进行手术操作时，根据不同医生对操作器的高度要求，首先手动调节升降台I1和升降台II5获取；所述的升降台I1(见图7)，螺纹杆1-2上有正反螺纹，手动转动螺纹杆1-2时可以使轴I1-3和轴II1-4靠拢或者分离，从而调节升降台底板1-1和升降台顶板1-5间的距离，起到升降的效果；

II、同样，针对不同的接受治疗者或者手术介入位置，通过调节倾角可调底座获得0-45°的任意介入角度；调整杆28深入套管26的长度决定了介入角度的大小，当调整杆28深入套管26的长度达到医生期望的介入角度时，通过紧固螺丝35将其固定住；

②主操作器检测医生的操作信息：

在微创血管介入手术过程中，医生根据主侧PC上的视觉反馈和手上的力反馈情况，直接操作安装在主操作器上的一根真实导管，医生的操作信息需要检测和提取出来；

主操作器上的主侧电动夹具I17和主侧电动夹具II20交替工作，当主侧电动夹具I17夹住主侧导管18时，主侧导管18和活塞杆7以及安装在直线导轨11上的扭矩反馈输出单元、光电编码器12，直线位移传感器滑块4固定成一个整体，操作主侧导管18能使这个整体运动；其中，夹具片17-5的张开角度由夹具电机17-7的旋转角度来决定，不同的夹具电机17-7的旋转角度通过凸轮17-8去控制夹具片17-5的张开角度；

当主侧电动夹具I17松开后，主侧电动夹具II20夹紧主侧导管18时，因为主侧电动夹具II20安装在与高度可调底座固定的主侧后端夹具安装板19上，因此主侧导管18与高度可调底座保持不动，拉动活塞杆7带动主侧电动夹具I17、以及安装在直线导轨11上的扭矩反馈输出单元、光电编码器12，直线位移传感器滑块4整体移动以调整活塞9-2到阻尼器9的后侧而不影响主侧导管18的位置，然后主侧电动夹具I17夹紧，主侧电动夹具II20松开，开始新一程的操作；

所述主侧电动夹具I17夹住主侧导管18时，医生操作主侧导管18的运动有两个自由度，包括轴向和旋转：

I、对于轴向运动信息的采集，安装在力矩输出电机安装板6上的直线位移传感器滑块4随着主侧导管18同步移动，直线位移传感器3实时感应直线位移传感器滑块4位置的变化即可得出主侧导管18的轴向位移及速率；

II、对于旋转信息，主侧导管18的转动通过主侧同步带22和力矩输出电机13的输出轴保持同步，因此安装在力矩输出电机13上的光电编码器12可以检测主侧导管18的旋转信息；

③操作信息的传递：

主操作器检测到的操作信息上传到主控制器，主控制器进行处理后上传主侧PC，主侧PC与从侧PC的通信将这个信息传递到从侧PC，从侧PC再将其下传到从控制器；

④从操作器执行介入操作：

所述从控制器接收到主端传递过来的操作信号后，对从操作器输出操作控制信号；从操作器的从侧电动夹具I43和从侧电动夹具II50交替夹住手术导管49，与主侧的主侧电动夹具I17和主侧电动夹具II20相对应；当从侧电动夹具I43夹住手术导管49时，手术导管49处于介入工作状态；当从侧电动夹具II50夹住手术导管49时，手术导管49保持原有状态不动，滑台驱动电机37驱动线性滑台51使线性滑台51滑动端移动到线性滑台51的后端；

从侧电动夹具I43的夹紧模仿医生的抓管动作，线性滑台51的推进和旋转驱动电机48的旋转模仿医生手的送管、旋管动作；当手术导管49被从侧电动夹具I43夹住时，从操作器对手术导管49的操作有两个自由度，包括旋转和轴向运动，由以下几个步骤构成：

I、旋转驱动电机48的旋转通过联轴器I33、扭矩传感器47、联轴器II40、同步带轮轴30、从侧同步带42、从侧夹具连接轴II54，最终传递到从侧电动夹具I43，从而带动从侧电动夹具I43所夹紧的手术导管49一起旋转，实现手术导管49的旋转运动；

II、滑台驱动电机37的旋转使线性滑台51滑动端滑动，从而实现推动从侧电动夹具I43所夹紧的手术导管49轴向运动；

⑤从操作器的操作力检测：

所述从操作器对手术导管49的操作力检测包括轴向操作力的检测和旋转扭矩的检测(见图10)：

I、所述轴向操作力的检测由拉压力传感器46完成，所述拉压环形套45在没有拉压力时被圆盘31接触但没有挤压，圆盘31随轴的旋转不影响拉压环形套45；当从侧电动夹具I43夹住手术导管49做轴向运动时，手术导管49对从侧电动夹具I43的反作用力可以使从侧电动夹具I43在轴向产生微移动，这个微移动通过圆盘31和拉压环形套45的组合传递到拉压力传感器46，拉压力传感器46即可检测到对手术导管49的轴向操作力；

II、所述旋转扭矩的检测由扭矩传感器47完成，所述扭矩传感器47安装在旋转驱动电机48的输出端和同步带轮轴30之间；当扭矩传感器47检测到旋转驱动电机48的输出扭矩后，实时的输出扭矩减去空载时的输出扭矩，即可得到对手术导管49操作时的实时扭矩；

⑥导管前端的受力检测：

所述从操作器介入操作过程中，手术导管49前端的受力有前端碰撞力和侧壁接触力：

I、对于侧壁接触力的检测，采用基于压敏橡胶57的导管前端碰撞力传感器(见图12、图13)；该压敏橡胶在自然状态下是绝缘体，但在有微小压力的情况下，电阻骤减，当压力到达1.5N时，随着压力的增加，其电阻不再改变；权威血管介入外科医生的经验得到血管能够承受的压力为0.49N，因此所设计的导管前端碰撞力传感器。能够满足检测需求。

压敏橡胶57排列成3×3的传感器矩阵经铜导线58分别将行电极和列电极引到两片模拟通道选通芯片的输入端，模拟通道选通芯片输出端引出串联到有直流电压源60、恒值电阻61的电路中；从控制器依次给模拟通道选通芯片送行列选通信号，同一时刻只有处在选通行列交叉处的被选通的传感器元件59串联到电路中；此时，被选通的传感器元件59相当于一个压敏电阻，通过检测恒值电阻61的分压值，即可得到当前选通的压敏橡胶元件59所受的压力；从控制器采用类似循环扫描的方式给模拟通道选通芯片选通信号，恒值电阻的分压值实时采集送到从控制器，从控制器通过电压值判断当前选通元件是否受力；这个受力大小和位置信息都传递到从控制器中；

II、对于前端碰撞力的检测，采用一种基于光纤的碰撞检测传感器，其输出经过解调后传递给从控制器；

⑦反馈信息的传递：

所述从操作器对手术导管49的轴向操作力信息和旋转扭矩信息以及手术导管49前端受到的前端碰撞力信息和侧壁接触力信息均上传到从控制器；从控制器将这些信息上传到从侧PC，又经从侧PC通过通信网络传递给主侧PC；其中从操作器对手术导管49的轴向操作力信息和旋转扭矩信息经主侧PC下传给主控制器；所述IP摄像头采集的实时图像通过IP网络直接传给主侧PC；

⑧主操作器的力反馈：

主控制器根据从侧传递回来的对手术导管49的轴向操作力信息和旋转扭矩信息控制主操作器实现力反馈，其中：

I、对于轴向操作力反馈，通过阻尼器结构应用智能材料磁流变液来实现：阻尼器壁9-1和活塞9-2间有间隙，活塞9-2上缠有线圈9-3；聚氨酯海绵9-4浸泡磁流变液饱和后覆盖在缠有线圈9-3的活塞9-2上；当向线圈9-3中通上电流时将产生以活塞9-2、磁流变液、阻尼器壁9-1、磁流变液、活塞9-2的封闭磁回路，此时推动活塞9-2运动，磁流变液则会产生剪切力，对活塞9-2形成阻力；不同的磁场大小产生不同阻力，而磁场的大小可以通过控制线圈9-3中的电流大小来获得，通过主侧电动夹具I17将活塞杆7和主侧导管18固定在一起，这个阻力通过主侧导管18传递到医生的手上形成轴向力反馈；

II、扭矩的反馈，通过力矩输出电机13来实现，扭矩反馈输出单元安装在直线导轨11上，力矩输出电机13的输出通过主侧同步带轮I15、主侧同步带22、主侧同步带轮II16、主侧夹具连接轴14传递到活塞杆7，活塞杆7和主侧导管18一起运动，因此输出力矩可以通过和活塞杆7一起运动的主侧导管18传递到医生手上，力矩输出电机13的输出扭矩的大小由供电电流大小决定，而电流由从端反馈回来的扭矩信息和连接所固有的扭矩来决定；

⑨主侧PC上的视觉反馈

医生在感触来自手上的力反馈的同时，还需要知道现场情况以及手术导管49前端的受力才能保证介入手术的安全操作；医生通过主侧PC获得视觉反馈：

I、IP摄像头传回来的实时图像，在做修正后以图像窗口的形式展示给医生；

II、导管侧壁接触力传感器所检测到的导管前端侧壁受力情况，用虚拟指示灯矩阵来指示受力位置，用虚拟指示灯的颜色来受力大小等级；

Ⅲ、导管前端碰撞力传感器所检测到的前端碰撞力，以进度条的形式展现给医生碰撞力的大小，进度条下配上实时的数值显示。

Claims (15)

1.一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于它是由主侧部分和从侧部分构成；其中，所述主侧部分包括主操作器、主控制器和主侧PC；所述从侧部分包括IP摄像头、从操作器、从控制器、从侧PC和手术导管；所述主操作器的输入端接收医生的操作信号和主控制器的反馈控制信号，其输出端与主控制器的输入端连接同时向操作者提供力反馈；所述主控制器的输入端接收主操作器的操作信息和主侧PC的反馈信息，其输出端与主操作器的输入端连接，输出传给主操作器的反馈控制信号，同时所述主控制器的输出端还与主侧PC连接，将主操作器的操作信息上传到主侧PC；所述主侧PC的输入端采集IP摄像头的图像信息，同时与主控制器和从侧PC呈双向连接，其输出端输出供手术医生参考的视觉反馈信号；所述IP摄像头采集现场实时图像，其输出端与主侧PC连接；所述从侧PC与主侧PC和从控制器分别呈双向连接；所述从控制器的输入端接收手术导管的动作信号；所述从控制器还与从操作器呈双向连接；所述从操作器的输出端与手术导管连接；同时从操作器对手术导管的操作动作作为现场实时图像被IP摄像头记录；所述主操作器包括轴向力反馈阻尼器单元、扭矩反馈输出单元、主夹具单元、操作信息采集单元、主侧导管、直线导轨和高度可调底座；其中，所述轴向力反馈阻尼器单元安装在高度可调底座上，其输出端输出为对主侧导管的阻尼信号；所述扭矩反馈输出单元安装在直线导轨上，其输出端输出对主夹具单元的力矩信号；所述主夹具单元的输出端与主侧导管配合连接；所述操作信息采集单元的输入端采集扭矩反馈输出单元输出端输出的旋转角度信息和轴向运动信息，其输出连接主控制器；所述主侧导管穿过主夹具单元；所述直线导轨安装在高度可调底座；所述高度可调底座是主操作器的安装底座；所述主夹具单元的输出端与主侧导管的连接为夹紧主侧导管或松开主侧导管。

2.根据权利要求1所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述手术导管是带有力传感器的手术导管；所述传感器是导管侧壁接触力传感器和导管前端碰撞力传感器；所述IP摄像头的输出端通过Internet与主侧PC连接；所述从侧PC与主侧PC直接通过网络连接。

3.根据权利要求1所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述轴向力反馈阻尼器单元由活塞杆、阻尼器、阻尼器支撑板I和阻尼器支撑板II构成；其中，所述阻尼器安装在阻尼器支撑板I和阻尼器支撑板II上，其输出端输出为对活塞杆的阻尼信号；所述活塞杆的输入端接收阻尼器的阻尼信号，其输出端输出对主侧导管的阻尼信号；所述阻尼器支撑板I和阻尼器支撑板II均安装在高度可调底座上；

所述扭矩反馈输出单元由力矩输出电机、力矩输出电机安装板、主侧同步带轮I、主侧同步带轮II和主侧同步带构成；其中，所述力矩输出电机安装在力矩输出电机安装板上，其输出端输出扭矩信号，通过主侧同步带轮I、主侧同步带轮II和主侧同步带与主夹具单元连接；所述力矩输出电机安装板安装在直线导轨上；所述主侧同步带轮I安装在力矩输出电机的输出轴上；所述主侧同步带轮II与主夹具单元连接；

所述主夹具单元由主侧电动夹具I、主侧电动夹具II、主侧夹具连接轴、电刷盘、轴支撑板和主侧后端夹具安装板构成；其中，所述主侧电动夹具I连接在主侧夹具连接轴上，所述主侧电动夹具I的输入端接收通过主侧夹具连接轴以及扭矩反馈输出单元的主侧同步带轮I、主侧同步带轮II、主侧同步带传递的扭矩反馈输出单元输出的扭矩信号，其输出端夹紧或松开主侧导管；所述主侧电动夹具II安装在主侧后端夹具安装板上，其输出端夹紧或松开主侧导管；所述轴支撑板上有穿孔，所述主侧夹具连接轴通过穿孔与轴支撑板呈轴承连接；所述主侧夹具连接轴上安装有主侧同步带轮II；所述主侧夹具连接轴的前端与轴向力反馈阻尼器单元中的活塞杆呈螺纹连接，其后端与主侧电动夹具I连接；所述轴支撑板安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板上，支撑主侧夹具连接轴；所述主侧后端夹具安装板安装在高度可调底座上；所述电刷盘安装在主侧夹具连接轴上，防止主侧电动夹具I的引线缠线；

所述直线导轨由直线导轨轨道和直线导轨滑块构成；其中，所述直线导轨滑块上安装有扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板；所述直线导轨滑块安装在直线导轨轨道上，且所述直线导轨滑块与直线导轨轨道之间是滚珠连接；

所述操作信息采集单元由直线位移传感器、直线位移传感器滑块和光电编码器构成；其中，所述直线位移传感器安装在升降台安装板上，其输入端接收直线位移传感器滑块的位置信号；所述直线位移传感器滑块安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机安装板上；所述光电编码器安装在扭矩反馈输出单元的力矩输出电机上，其输入端接收力矩输出电机的旋转角度信号；

所述高度可调底座由升降台I、升降台II和升降台安装板构成；其中，所述升降台安装板安装在升降台I和升降台II上；所述升降台安装板上安装有轴向力反馈阻尼器单元的阻尼器支撑板I和阻尼器支撑板II、主夹具单元的主侧后端夹具安装板以及直线导轨的直线导轨轨道；

所述升降台I由升降台底板、螺纹杆、轴I、轴II、升降台顶板和升降台支撑杆构成；其中，所述升降台支撑杆下端安装在升降台底板上，上端支撑升降台顶板；所述轴I作为升降台支撑杆的旋转轴；所述轴II为升降台支撑杆的旋转轴；所述螺纹杆穿过轴I和轴II，且与轴I和轴II的连接螺纹方向相反；所述升降台II与升降台I具有相同结构；

所述的主侧导管为微创介入手术医用导管。

4.根据权利要求3所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述阻尼器由阻尼器壁、活塞、线圈和聚氨酯海绵构成；其中，所述活塞与活塞杆连接；所述线圈缠在活塞上；所述聚氨酯海绵覆盖在缠有线圈的活塞上。

5.根据权利要求4所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述的聚氨酯海绵中吸附磁流变液至饱和。

6.根据权利要求3所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述主侧电动夹具I由夹具板I、弹簧、夹具板II、螺丝、夹具片、夹具电机安装板、夹具电机、凸轮和销钉构成；其中，所述夹具电机安装在夹具电机安装板上；所述凸轮连接夹具电机的输出端，并与夹具片连接；所述夹具板I连接在主侧夹具连接轴上；所述夹具板II与夹具板I之间、夹具板II与夹具电机安装板之间均通过螺丝连接；所述夹具片通过销钉固定在夹具板I与夹具电机安装板之间；所述夹具板II上有螺纹孔，所述弹簧穿过夹具板II上螺纹孔，一端压在夹具片上，一端与拧进夹具板II上螺纹孔的螺丝相接；所述主侧电动夹具II与主侧电动夹具I有相同的结构。

7.根据权利要求3所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述阻尼器、直线导轨的行程和直线位移传感器的量程对应相等，选择为0-400mm。

8.根据权利要求1所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述从操作器包括轴向推送单元、旋转单元、从夹取单元、操作力检测单元和倾角可调底座；其中，所述轴向推送单元安装在倾角可调底座上，其输出带动旋转单元、从夹取单元和操作力检测单元在轴向运动；所述旋转单元安装在轴向推送单元的滑动端转接板上，其输出端连接从夹取单元，使从夹取单元进行旋转；所述手术导管穿过从夹取单元；所述从夹取单元的输出为夹紧或松开手术导管；所述操作力检测单元的输入端检测从夹取单元对手术导管的推送力信号以及旋转单元的扭矩信号；所述倾角可调底座是从操作器装置的安装底座。

9.根据权利要求8所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述轴向推送单元由线性滑台、滑台驱动电机和滑动端转接板构成；所述旋转单元由旋转驱动电机、旋转驱动电机安装板、联轴器I、联轴器II、同步带轮轴、从侧同步带轮I、从侧同步带轮II和从侧同步带构成；其中，所述滑台驱动电机的输出端连接线性滑台，为线性滑台的滑动端的移动提供驱动力；所述线性滑台安装在倾角可调底座上；所述滑动端转接板安装在线性滑台的滑动端；所述旋转驱动电机安装在旋转驱动电机安装板上，其输出端通过联轴器I、扭矩传感器、联轴器II、同步带轮轴、从侧同步带轮I、从侧同步带、从侧同步带轮II及从侧夹具连接轴II连接从侧电动夹具I；所述旋转驱动电机安装板安装在滑动端转接板上；

所述从夹取单元由从侧电动夹具I、从侧电动夹具II、从侧夹具连接轴I、从侧夹具连接轴II、前端安装立板和从侧后端夹具安装板构成；其中，所述轴向推送单元安装在倾角可调底座上，其输出带动旋转单元、从夹取单元的从侧电动夹具I和操作力检测单元在轴向运动；所述从侧电动夹具I两端分别连接从侧夹具连接轴I和从侧夹具连接轴II，其输出夹紧或松开手术导管；所述从侧夹具连接轴I一端与从侧电动夹具I连接起到支撑作用，一端与操作力检测单元以轴承方式连接；所述从侧夹具连接轴II一端与从侧电动夹具I连接起到支撑作用，一端与前端安装立板以轴承方式连接；所述从侧电动夹具II安装在从侧后端夹具安装板上，其输出夹紧或松开手术导管；所述前端安装立板安装在轴向推送单元的滑动端转接板上；所述从侧后端夹具安装板安装在倾角可调底座上；

所述操作力检测单元由扭矩传感器、拉压力传感器、拉压力传感器安装板、拉压环形套和圆盘构成；其中，所述从夹取单元的从侧夹具连接轴I的一端与拉压力传感器安装板以轴承方式连接；所述扭矩传感器通过轴向推送单元的联轴器I与旋转单元的旋转驱动电机的输出端连接，检测其输出扭矩；所述拉压力传感器安装在拉压力传感器安装板上，所述拉压力传感器的输入端采集通过拉压环形套和圆盘传递来的轴向操作力信号；所述拉压力传感器安装板安装在轴向推送单元的滑动端转接板上；所述拉压环形套安装在拉压力传感器的检测轴上；所述圆盘安装在从夹取单元的从侧夹具连接轴I上，其边缘嵌入到拉压环形套中；所述从侧电动夹具I的输入端通过联轴器I、扭矩传感器、联轴器II、从侧同步带轮I、从侧同步带、从侧同步带轮II及从侧夹具连接轴II与旋转驱动电机的输出端连接；

所述倾角可调底座由底座前端立板、底座架、支撑板、立板连接轴、套管、套管连接轴、调整杆、连接轴和紧固螺丝构成；所述底座前端立板安装在底座架上；所述套管与底座架连接，且可围绕套管连接轴旋转；所述调整杆依可调整嵌入长度的紧固螺丝嵌入在套管中；所述倾角可调底座的支撑板分别通过立板连接轴与底座前端立板连接，通过连接轴与调整杆连接，立板连接轴和连接轴是能够旋转的连接轴；所述轴向推送单元的线性滑台安装在支撑板上；所述从夹取单元的从侧后端夹具安装板安装在支撑板上。

10.根据权利要求9所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述线性滑台的行程根据单程推进尺寸选择为0-400mm。

11.根据权利要求9所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述扭矩传感器的量程为0-0.2NM，精度为±0.3％F.S；所述拉压力传感器的量程为0-5N，精度为0.025％R.O；所述拉压力传感器安装板为U型拉压力传感器安装板。

12.根据权利要求9所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述倾角可调底座为手动调节架；所述支撑板和底座前端立板的立板连接轴能够旋转；所述连接套管和底座架的套管连接轴能够旋转；所述支撑板和调整杆的连接轴能够旋转。

13.根据权利要求9所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述从侧电动夹具I和从侧电动夹具II与主侧电动夹具I有相同的结构。

14.根据权利要求2所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述导管侧壁接触力传感器由铜电极、压敏橡胶、铜导线、被选通的传感器元件、直流电压源和恒值电阻构成；所述压敏橡胶是排列成3×3的压敏橡胶传感器矩阵结构；所述的铜电极具有粘性，黏在压敏橡胶构成的传感器矩阵两侧，一侧作为行电极，另一侧作为列电极；所述的铜导线通过铜电极连接在传感器矩阵两侧，一侧作为行电极引线，一侧作为列电极引线；所述的被选通的传感器元件是压敏橡胶排列成3×3的传感器矩阵经铜导线引出通过行选通和列选通后串联到有直流电压源和恒值电阻电路中的传感器矩阵元件。

15.根据权利要求2所述一种主从微创血管介入手术辅助系统，其特征在于所述导管前端碰撞力传感器是一种基于光纤的碰撞检测传感器，其输出经过解调后传递给从控制器。